книги из ГПНТБ / Фролкин В.Т. Импульсная техника учебное пособие для радиотехнических факультетов высших учебных заведений

ГЛАВА 3

ПОЛУЧЕНИЕ ИМПУЛЬСОВ НАПРЯЖЕНИЯ ТРЕУГОЛЬНОЙ (ПИЛООБРАЗНОЙ) ФОРМЫ

3.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Особенности формы треугольных импульсов. Напря­ жением треугольной или пилообразной формы называют импульсы, содержащие линейно изменяющийся во времени участок напряжения (рис. 3. 1).

В соответствии с назначением генераторы пилообразного напряжения могут иметь начальное устойчивое состояние

6) г)

Рис. 3. 1. Различные виды треугольного (пилообразного) напряжения.

(ждущие генераторы), к которому схема возвращается после каждого цикла. В этом случае период повторения треуголь­ ных импульсов определяется периодом следования пуско­ вых или управляющих импульсов и может быть как по­ стоянным (рис. 3. 1, а), так и переменным (рис. 3. 1, б).

Самовозбуждающиеся генераторы обычно имеют два вре­ менно устойчивых состояния и в отсутствие синхронизирую­ щих импульсов генерируют периодические колебания, пред­ ставленные на рис. 3. 1, ей г.

50

Другим, менее существенным признаком классификации генераторов пилообразного напряжения является направле­ ние линейного изменения потенциала выходной «незаземленной» клеммы от его начальной величины: линейно нара­ стающее (рис. 3. 1, айв) и линейно убывающее (рис. 3. 1, б и г) напряжения.

линейно изменяющегося участка, называемого обычно пря­

ционных индикаторах для развертки по экрану луча элект­ ронно-лучевых трубок и в устройствах временной задержки.

Кроме этого, треугольные импульсы используются в ана­ лизирующих, модулирующих и демодулирующих устрой­ ствах, в математических машинах непрерывного действия, а также для получения импульсов напряжения и тока раз­ личной формы (параболической, прямоугольной, трапецеи­ дальной, гиперболической и т. д.).

Основные параметры генераторов пилообразного напря­ жения. Выбор схемы генератора и конструктивное ее выпол­ нение определяются заданной формой генерируемых коле­ баний и точностью ее воспроизведения, параметрами источ­ ника пусковых или синхронизирующих импульсов, нагру­ зочных цепей, а также рядом дополнительных требований.

Длительность прямого хода. Диапазон используемых длительностей прямого хода весьма широк: т =10-7 сек — \Qmuh. Пределы этого диапазона в связи с широким вне­ дрением электронных импульсных устройств в различные области науки и техники непрерывно расширяются. Так, например, при осциллографировании миллимикросекундных импульсов применяются развертки длительностью 5.10-9се/с и менее. Получение треугольных импульсов малой длитель-

ности требует применения электровакуумных или газонапол­ ненных ламп с большими импульсными токами порядка 1—10 а и более, малыми междуэлектродными емкостями и большой мощностью рассеяния, а также использования мощных зарядных сопротивлений с малыми паразитными емкостями.

Создание ламповых генераторов пилообразного напря­ жения с большой длительностью прямого хода встречает ряд затруднений, связанных с паразитными утечками тока в деталях и лампах, большими габаритами зарядных конден­ саторов и нестабильностью длительной работы ламп при малых токах (порядка единиц и долей микроампера). Вслед­ ствие этого генерирование таких напряжений осуществляется иногда с использованием электромеханических устройств (например, потенциометр, вращаемый мотором, и т. д.).

Длительность обратного хода (время восстановления).

Длительность обратного хода обычно оценивают в процен­ тах от длительности прямого хода и стремятся сделать его как можно меньше.

Обратный ход обычно является нерабочим, и время тОг, например, выпадает из рассмотрения при осциллографировании. Кроме того, при использовании ждущего пилообраз­ ного напряжения в точных устройствах, например в радиоло­ кационной технике, наиболее существенным является то, что неокончившиеся нестационарные процессы влияют на ско­ рость изменения прямого хода напряжения. Поэтому в таких устройствах величину обратного хода доводят до единиц

идесятых долей процента даже ценой усложнения схемы.

Амплитуда напряжения ит. Типовые значения ампли­

туды лежат в диапазоне ит = 10 ч- 1000 в. Верхний предел ит ограничивается пиковым пробивным напряжением

возможную амплитуду, с тем чтобы по возможности исклю­ чить необходимость последующего усиления, неизбежно свя­ занного с искажением формы. В связи с этим эффективность генератора пилообразного напряжения часто характери­ зуется коэффициентом использования питающего напряже­ ния КЕ = ит!Е, где Е — напряжение источника питания генератора.

Скорость изменения напряжения. Для подавляющего большинства применений, связанных с измерением вре­ мени, скорость изменения (наклон) пилообразного напря-

52

жения является главным параметром, определяющим точ­

всегда желательно, чтобы скорость изменения пилообразного напряжения для всех моментов времени в пределах прямого хода была постоянной и в минимальной степени зависела от отклонений элементов схемы от номинальных (расчетных) значений.

Степень постоянства скорости изменения напряжения в течение прямого хода называется линейностью пилообраз­

линейная градуировка шкалы прибора или линейная интер­ поляция между соседними вре- и

только от изменения скорости напряжения, но и от взаим­ ного расположения кривой изменения напряжения и идеаль­ ной прямой линии. Обычно прямую линию проводят таким образом, что она совпадает с кривой изменения напряже­ ния в начале и конце измеряемого интервала (рис. 3. 3).

53

В соответствии с обозначениями рис. 3. 3 ошибки смещения определяются следующими соотношениями:

где величины и' и f соответствуют идеальному линейному закону.

При любом законе изменения напряжения ошибки и с/ функционально связаны. Простое геометрическое пост­

роение рис. 3. 3 позволяет

в основном, конечной величиной усиления ламп и нелиней­ ностью их характеристик.

Стабильность. Стабильность формы треугольных им­ пульсов обычно выражается процентным изменением их амплитуды или же изменением крутизны (наклона) прямого хода в начальной точке (рис. 3. 4):

Е4

вается в связи с изменениями температуры, механическими вибрациями и временем. В настоящее время в связи с внед­ рением блочных взаимозаменяемых узлов, уменьшением габаритов радиоэлектронной аппаратуры, увеличением диа­ пазона рабочи^температур, отсутствием настроечных регу­ лировок, а также повышенными требованиями надежности задачи обеспечения высокой степени стабильности приоб­ рели важнейшее значение.

Различные параметры генераторов. Наряду с перечислен­ ными требованиями к генераторам пилообразного напряже­ ния предъявляется еще и ряд других: ограничение вели­ чины входных и выходных сопротивлений, удобство и простота эксплуатации схемы, надежность, вес, габариты, число ламп и деталей, потребляемая мощность, техноло­ гичность конструкции и т. д.

3. 2. СПОСОБЫ ГЕНЕРИРОВАНИЯ ПИЛООБРАЗНОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Блок-схема. Основной метод получения пилообразного напряжения базируется на заряде или разряде конденсатора постоянным током.

Другие методы, как, например, получение напряжения

сползунка равномерно вращающегося линейного потенцио­ метра, использование напряжения, возникающего на неболь­ шом омическом сопротивлении, включенном последовательно

скатушкой самоиндукции при подаче на ее клеммы прямо­

55

Для получения периодически повторяющегося пилообраз­ ного напряжения должна осуществляться коммутация цепей

ния (рис. 3. 5) должна включать два основных элемента: источник постоянного зарядного (или разрядного) тока /0 и коммутирующее (разрядное) устройство — ключ.

Пилообразное напряжение

Рис. 3. 5. Блок-схемы ждущего (а) и самовозбуждающегося (б) генераторов пилообразного напряжения.

Ждущий генератор (рис. 3. 5, а) работает только, при наличии управляющего напряжения, имеющего форму либо прямоугольных импульсов длительностью т, запирающих на время прямого хода коммутирующее устройство, либо коротких пусковых импульсов. В последнем случае в генера­ торе должна быть цепь положительной обратной связи (пунктирная линия на рис. 3. 5, а), обеспечивающая раз­ мыкание ключа на время прямого хода. В обоих случаях управляющее напряжение жестко фиксирует начало прямого хода (/ = 0), что необходимо при точном отсчете времени.

Самовозбуждающийся генератор непрерывного пилооб­ разного напряжения охвачен цепью положительной обратной связи, условно показанной на рис. 3. 5, б двумя стрелками. Синхронизация генератора может осуществляться на основ­ ной частоте или же на субгармониках синхронизирующего напряжения, которое может быть самой различной формы. Как правило, в подобных генераторах синхронизирующее напряжение фиксирует начало обратного хода (t = т).

56

Вследствие этого такие схемы непригодны для целей точного отсчета времени. Основное назначение генераторов непрерыв­ ного пилообразного напряжения — развертка луча электронно-лучевых трубок в телевидении и осциллографии для наблюдения формы различных сигналов.

X) Коммутирующие устройства. Коммутирующие устройства должны удовлетворять следующим основным требованиям: малое и стабильное внутреннее сопротивление в замкнутом состоянии и большое — в разомкнутом, четкая фиксация начального уровня пилообразного напряжения, возможность управления маломощными импульсами и хорошая изоляция коммутирующих цепей от выходных клемм генератора.

В генераторах непрерывной развертки в качестве ключей удобно применять тиратроны, имеющие в ионизированном состоянии сопротивление менее 10 ом. Недостатками тиратронных коммутаторов являются: нестабильное время запаз­ дывания начала ионизации по отношению к моменту подачи пускового импульса, конечное время деионизации, не позво­ ляющее получить треугольные импульсы с частотой следо­ вания выше 100 кгц, и сравнительно большая нагрузка источ­ ника пусковых импульсов сеточной цепью .тиратрона.

Поэтому в более точных устройствах в качестве коммути­ рующих элементов применяют электровакуумные лампы: диоды, триоды и пентоды или же полупроводниковые при­ боры.

Схема диодного ключа представлена на рис. 3. 6. Для уменьшения длительности обратного хода сопротивление /?к должно быть .*низкоомным Для надежного запирания диода (размыкания ключа) амплитуда положительного коммути­

требования распространяются также на схему рис. 3. 6, б, в которой диод Д2 обеспечивает более четкую и стабильную фиксацию начального потенциала на зарядном конденса­ торе С.

Схема рис. 3. 6, в свободна от этого недостатка, поскольку пусковые импульсы поступают на высокоомную сеточную цепь катодного повторителя. Однако лампа катодного повто­ рителя должна обладать необходимым запасом анодного тока

57

Указанные недостатки ограничивают область приме­ нения диодных коммутаторов небольшими (порядка 30—40в) амплитудами пилообразного напряжения.

Е

Рис. 3. 6. Диодные ключи, применяющиеся для коммутации зарядного

конденсатора в генераторах пилообразного напряжения.

Триодный ключ (рис. 3. 7, а) не имеет этих ограничений. Амплитуда импульса, запирающего лампу-ключ, должна быть не меньше напряжения запирания Eg(j лампы. Для

Рис. 3. 7. Триодный ключ.

О* — неудачно выбранная начальная рабочая точка.

того чтобы внутреннее сопротивление триода было минималь­ ным и начальный потенциал Uo фиксировался наиболее ста­ бильно, начальную рабочую точку О (рис. 3. 7, б) выгодно выбирать на линии критического режима. При этом сопро­

58

тивление Ra в цепи сетки, обычно имеющее порядок 0,2— 2 Мом, необходимо подключать к плюсу источника анодного

тельного управляющего импульса через эту емкость на заряд­ ную емкость С отрицательный перепад напряжения вызы­ вает искажение в начале прямого хода. В связи с этим, в осо­ бенности для больших скоростей изменения напряжений на сетке и аноде, чаще всего применяют пентодный, а не три­

одный ключ.

Методы стабилизации зарядного тока. Имеется несколько способов стабилизации тока заряда (или разряда) конден­ сатора или, как иногда говорят, линеаризации напряжения на конденсаторе в генераторах пилообразного напряжения. В следующих параграфах будут рассмотрены три основных способа осуществления заряда или разряда конденсатора постоянным :током*

1.От источника постоянного напряжения через оми­ ческое сопротивление.

2.От источника постоянного напряжения через элемент,

имеющий большое сопротивление для переменного тока

ималое сопротивление для постоянного тока.

3.С использованием усилителей с обратной связью. Кроме этих способов линеаризации, имеются и другие,

вспомогательные, к числу которых можно отнести, напри­ мер, компенсацию экспоненциального напряжения кривиз­

менение последнего способа будет проиллюстрировано ниже при рассмотрении компенсационной схемы с двумя заряд­ ными конденсаторами.

3. 3. ЗАРЯД КОНДЕНСАТОРА ЧЕРЕЗ ОМИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ

Основные .соотношения. Упрощенная схема генератора,

реализующего указанный способ, приведена на рис. 3. 8. Для упрощения выкладок в пределах этого и следующих раз­

* Все рассматриваемые ниже методы обеспечивают лишь приблизи­ тельное постоянство зарядного тока. Во всех практических схемах в тече­ ние прямого хода зарядный ток медленно убывает.

59